编译原理介绍

什么是编译程序

把某一种语言程序(称为源语言程序)等价地转换
成另外一种语言程序(称为目标语言程序)的程序
高级语言程序须要编译程序的翻译才能变成机器语言程序（目标程序），机器程序能够运行成为结果

编译程序：
1.诊断编译程序(Diagnostic Compiler)
2.优化编译程序(Optimizing Compiler)
3.交叉编译程序(Cross Compiler)
4.可变目标编译程序(Retargetable Compiler)
解释程序(Interpreter)
把源语言写的源程序做为输入，但不产生目标
程序，而是边解释边执行源程序

为何要学习编译原理

理解计算系统

设计计算系统

训练计算思惟(Computational Thinking)

计算思惟基本概念
Jeannette M. Wing, Computational Thinking,
Communications of ACM, Vol.49, No.3, 2006,
pp.33-35.
被认为是近十年来产生的最具备基础性、长期性的
学术思想，成为21世纪计算机科学研究和教育的热
点

• 计算思惟是运用计算机科学的基础概念去求解问题、
  设计系统和理解人类的行为，它包括了一系列普遍
  的计算机科学的思惟方法
• 计算思惟和阅读、写做和算术同样，是21世纪每一个
  人的基本技能，而不单单属于计算机科学家
• 计算思惟在生物、物理、化学、经济学、统计学等
  其余学科中的影响已经显现
  计算思惟包括一系列普遍的计算机科学的思惟方法：
• 抽象
• 忽略一个主题中与当前问题(或目标)无关的那些方面，
  以便更充分地注意与当前问题(或目标)有关的方面
• 从众多的事物中抽取出共同的、本质性的特征，舍
  弃其非本质的特征
• 是一种从个体把握通常、从现象把握本质的认知过
  程和思惟方法
• 图灵机就是一种抽象
• 编译原理中的"抽象"
  • 有限自动机
  • 形式文法
• 自动化
• 将抽象思惟的结果在计算机上实现，是一个将计算
  思惟成果物化的过程，也是将理论成果应用于技术
  的实践
• 自动化的思惟方法不只体如今编译程序自己的工做
  机制上，更体如今了编译程序的生成工具的研究和
  设计上
• 编译原理中的"自动化“
  • 有限自动机
  • 预测分析程序
  • 算符优先分析
  • LR分析
  • …
• 问题分解
• 分解(Decomposition)
• 将大规模的复杂问题分解成若
  干个较小规模的、更简单的问
  题加以解决
• 对问题自己的明确描述，并对问
  题解法做出全局性决策
• 把问题分解成相对独立的子问题
• 再以一样的方式对每一个子问题进
  一步精确化，直到得到对问题的
  明确的解答
• 分解(Decomposition)
• 层次化管理
• 编译原理中的"问题分解"
• 为何编译程序引入中间语言？
• 为何编译分红多个阶段？
• 为何分析过程分红多遍？
• …
• 递归
• 递归(Recursion)
• 问题的解决依赖于相似问题的解决，只不事后者的
  复杂程度或规模较原来的问题更小
• 一旦将问题的复杂程度和规模化简到足够小时，问
  题的解法其实很是简单
• 编译原理中的"递归"
  • 递归降低分析
  • 基于树遍历的属性计算
  • 语法制导翻译
  • …
• 权衡
• 权衡(折衷, Tradeoff )
• 理论可实现 vs. 实际可实现
• 理论研究重在探寻问题求解的方法，对于理论成果
  的研究运用又须要在能力和运用中做出权衡
• 编译原理中的"权衡"
• 用上下文无关文法来描述和处理高级程序设计语言
• 优化措施的选择
• ...
• 保护、冗余、容错、纠错和恢复
• 利用启发式推理来寻求解答
• 在不肯定状况下的规划、学习和调度

• ...

  编译原理

• 编译理论与技术
• 计算机科学与技术中理论和实践相结合的最好典范
• ACM 图灵奖
• 授予在计算机技术领域做出突出贡献的科学家
• 程序设计语言、编译相关的获奖者是最多的
• 编译理论与技术
• 计算机科学与技术中理论和实践相结合的最好典范
• 体现了不少典型的计算思惟方法
• 编译原理和方法的应用
• Html/XML 分析
• 语言处理工具

• 搜索引擎

  编译过程

  编译程序是怎样把高级语言(如C++)翻译成低
• 级语言(如机器指令)的？
• 把英文翻译为中文
• 识别出句子中的一个个单词---词法分析
• 分析句子的语法结构---语法分析
• 根据句子的含义进行初步翻译---中间代码产生
• 对译文进行修饰---优化
• 写出最后的译文---目标代码产生
  以上是编译程序工做的五个阶段
• 编译过程——词法分析
• 任务: 输入源程序，对构成源程序的字符串进行
  扫描和分解，识别出单词符号
• 依循的原则：构词规则
• 描述工具：有限自动机
  for i := 1 to 100 do
  基本字 标识符 赋值号 整常数 基本字 整常数 基本字
• 编译过程——语法分析
• 任务：在词法分析的基础上，根据语法规则把
  单词符号串分解成各种语法单位(语法范畴)
• 依循的原则：语法规则
• 描述工具：上下文无关文法
  Z := X + 0.618 * Y（算术表达式--》算术表达式--》赋值语句）
• 编译过程——中间代码产生
• 任务：对各种语法单位按语言的语义进行初步翻译
• 依循的原则：语义规则
• 描述工具：属性文法
• 中间代码：三元式，四元式，树，...
• Z:=X + 0.618 * Y 翻译成四元式为
  |序号 | OPR | OPN1 | OPN2 | RESULT | 注释|
  |:--:|:--:|:--:|:--:|:--:|:--:|:--:|
  |(1)| * | 0.618| Y | T1 | T1:=0.618*Y|
  |(2)| + | X | T1 | T2 | T2:=X+T1|
  |(3)| := | T2 | | Z | Z:=T2|
• 编译过程——优化(；例如乘法变成加法)
• 任务：对前阶段产生的中间代码进行加工变换，
  以期在最后阶段产生更高效的目标代码

• 依循的原则：程序的等价变换规则

• 编译过程——目标代码产生
• 任务: 把中间代码变换成特定机器上的目标代码
• 依赖于硬件系统结构和机器指令的含义
• 目标代码三种形式
• 汇编指令代码: 须要进行汇编
• 绝对指令代码: 可直接运行

• 可从新定位指令代码: 须要链接

编译程序的结构

• 编译程序总框
• 词法分析器------源程序
• 语法分析器------中间代码(四元式)
• 语义分析与中间代码生成器------语法单位
• 优化段------目标代码
• 目标代码生成器------中间代码(四元式)
• 出错处理
• 出错处理程序
• 发现源程序中的错误，把有关错误信息报告给用户
• 语法错误
• 源程序中不符合语法（或词法）规则的错误
• 非法字符、括号不匹配、缺乏 ；、...
• 语义错误
• 源程序中不符合语义规则的错误
• 说明错误、做用域错误、类型不一致、...
• 遍
• 所谓"遍"， 就是对源程序或源程序的中间表示
  从头至尾扫描一次
• 阶段与遍是不一样的概念
• 一遍能够由若干段组成
• 一个阶段也能够分若干遍来完成
• 编译前端与后端
• 编译前端
• 与源语言有关，如词法分析，语法分析，语义分析与
  中间代码产生，与机器无关的优化
• 编译后端
• 与目标机有关，与目标机有关的优化，目标代码产生
• 带来的好处
• 程序逻辑结构清晰
• 优化更充分，有利于移植

编译程序的生成

• 以汇编语言和机器语言为工具
• 优势: 能够针对具体的机器，充分发挥计算机的系统
  功能；生成的程序效率高
• 缺点: 程序难读、难写、易出错、难维护、生产的效
  率低
• 高级语言书写
• 程序易读、易理解、容易维护、生产的效率高
• 利用已有的某种语言的编译程序实现另外一语言的编
  译程序
• 移植方法
• 把一种机器上的编译程序移植到另外一种机器上
• 自编译方式
• 编译程序自动产生
• 编译程序-编译程序，编译程序产生器，编译程序书
  写系统
• LEX：词法分析程序产生器
• YACC：语法分析程序产生器